NLRs et immunité innée

Globalement, lorsque l'on considère les domaines trouvés en N-terminal du domaine NOD dans cette collection de NLRs (Figures 43 à 45), deux catégories principales émergent. Les domaines de classe 1 correspondent à des domaines qui ont une fonction enzymatique proposée ou un rôle direct potentiel dans l'induction de la mort cellulaire. Dans cette première classe, on trouve les domaines de lipase PNP-UDP, RelA-SpoT, sesB-like et Patatine ainsi que les domaines de toxines que l’on pense impliquées dans la formation de pores HeLo et HELL. Dans cette classe, le domaine N-terminal représenterait un effecteur direct de l'activation NLR. Les domaines de classe 2 correspondent aux domaines qui ont plus vraisemblablement une fonction d'adaptateur, une situation plus typique

répétés, mais les LRR généralement trouvés dans les NLRs végétaux et animaux sont absents. Tous les domaines effecteurs fongiques se trouvent également dans les protéines non NLRs. Certains domaines effecteurs fongiques ont des activités enzymatiques prédites (* pour les lipases, @ pour les protéases, # pour l'UDP-phosphorylase). Presque toutes les combinaisons de domaines effecteurs N-terminaux, de domaines NB centraux et de domaines de répétition C-terminaux peuvent être trouvées dans les génomes fongiques. Les flèches indiquent les domaines liés entre les branches du royaume eucaryote. Abréviations : LRR, leucine-rich repeat; NLR, NOD-like receptors. (d’après (Uehling et al., 2017))

Figure 44. Annotation des domaines dans l'ensemble des NLRs fongiques.

Les camemberts montrent la distribution des différents types de domaine N-terminal, NOD et C-terminal, respectivement. Dans chaque camembert, le gris clair correspond à la fraction de domaines sans annotation. (d’après (Dyrka et al., 2014))

des NLRs végétaux et animaux, où des domaines tels que CARD, PYD et TIR recrutent des effecteurs par des interactions de domaine homotypique pour transmettre le signal en aval, plutôt que de représenter l'effecteur terminal de la cascade immunitaire. CARD et PYD médient la signalisation NLR par un mécanisme de type prion, impliquant la formation de complexes d'ordre supérieur (Wu et al., 2013; Lu et al., 2014; Cai et al., 2014). Les trois domaines de formation de prions (HET-s, PP et σ) associés aux NLR fongiques correspondent à cette seconde classe (Daskalov et al., 2012). Nous verrons ces domaines dans la partie 4. Le domaine HET, éventuellement homologue au domaine TIR, correspond probablement également à cette seconde classe. De nombreuses protéines fongiques liées aux NLRs appartiennent à la classe 1, alors qu'apparemment dans les lignées végétales et animales, cette situation est moins fréquente, bien que les NLR PNP-UDP aient été décrits chez les coraux (Hamada et al., 2013). Dans les protéines STAND de certaines espèces bactériennes, la présence de domaines N-terminaux avec une activité enzymatique prédite comme un domaine métacaspase est courante, en particulier chez les cyanobactéries (Leipe et al., 2004; Asplund-Samuelsson et al., 2012). Il se peut qu'à la base de l'évolution de la protéine STAND, l'architecture tout-en-un soit ancestrale et que l'incorporation de domaines adaptateurs entre le récepteur NLR et l'effecteur représente une sophistication supplémentaire du processus de signalisation.

Certains domaines effecteurs N-terminaux trouvés dans les champignons filamenteux sont censés former directement des pores membranaires lors de l'oligomérisation (Paoletti and Clavé, 2007). Ce mode d'action serait analogue à ce qui a été suggéré pour ZAR1 (décrit précédemment) et éventuellement d'autres protéines R de type CC (chez les plantes). En comparant les architectures de domaine d’Apaf-1 (CARD, NB-ARC, WD40) avec celles de ZAR1 (CC, NB-ARC, LRR) ou HET-E (HET, NACHT, WD40), il devient évident que ces protéines ont la même l'architecture globale mais n'ont pas évolué par évolution divergente à partir d'un ancêtre commun. On peut supposer que les premiers eucaryotes contenaient déjà des STAND-ATPases parce que la plupart des bactéries existantes codent pour plusieurs de ces ATPases. Cependant, les STAND-ATPases bactériennes classiques n'appartiennent pas au sous-type NB-ARC ou NACHT et n'ont aucun lien avec la signalisation de la mort cellulaire (Leipe et al., 2004). Une analyse phylogénétique minutieuse de la famille STAND a conclu que les protéines STAND végétales et animales ont évolué indépendamment des précurseurs bactériens, lors d'au moins deux événements distincts (Urbach and Ausubel, 2017). Cependant, les STAND ATPases et d'autres protéines de l’immunité innée sont clairement sujettes à une évolution par « échange de domaine », et lors de l'analyse des protéomes eucaryotes disponibles de nos jours, pratiquement toutes les combinaisons de domaines effecteurs, de sous-type ATPase et de domaines senseurs C-terminaux peuvent être observées (Figure 43). Par conséquent, les hypothèses évolutives alternatives ne doivent pas être écartées, par exemple, un « mélange et appariement » omniprésent de domaines

Figure 45. Architectures de domaines des NLRs fongiques

Répertoire des architectures de domaine trouvées dans 1228 candidats NLR avec annotation tripartite. Pour chacune des architectures, le nombre total et les pourcentages sont donnés. (d’après (Dyrka et al., 2014))

au début de l'évolution eucaryote, avec une « fixation » ultérieure d'architectures de domaines sélectionnés qui se seraient avérées les plus bénéfiques pour la lignée eucaryote particulière.

Prises ensemble, ces observations indiquent également un rôle possible dans l'immunité innée pour au moins certains NLR fongiques (Paoletti and Saupe, 2009). Cependant, le grand nombre de protéines de type NLR codées dans les génomes fongiques et leur extrême diversité architecturale suggèrent que cette famille de protéines peut être impliquée dans une variété de réponses moléculaires, dont certaines peuvent être importantes en dehors du contexte immunitaire et éventuellement ne pas résulter en de la mort cellulaire. A noter que les NLRs ne sont trouvés que chez les champignons filamenteux et sont absents des génomes de levure (Dyrka et al., 2014), ce qui suggère que la présence des NLRs est associée avec la vie multicellulaire. Il a également été proposé que de façon similaire aux NLRs des plantes et des animaux, les NLRs fongiques sont des récepteurs de l’immunité innée qui régulent les réponses contre les pathogènes.

Dans certains cas (classe 2), l'interaction entre la protéine NLR et la protéine effectrice dépend d'un court motif/domaine formant un amyloïde avec des caractéristiques de type prion qui sert à transduire le signal du NLR activé vers l'effecteur (Saupe et al., 2016). De telles unités fonctionnelles NLR/effecteur utilisant une transduction de signal à base d'amyloïde coexistent avec des architectures « tout-en-un » (où l'effecteur fait partie intégrante du NLR) dans un seul génome fongique. En outre, certains des amyloïdes de signalisation se sont diversifiés en familles distinctes qui partagent un modèle de séquence primaire spécifique, tandis que d'autres semblent avoir acquis le rôle de signalisation de manière convergente (voir partie 4) (Daskalov et al., 2016; Loquet and Saupe, 2017). L'auto-assemblage de domaines globulaires repliés ou la création de modèles amyloïdes apparaissent comme deux solutions possibles pour la même tâche de médiation d'une transmission efficace d'un signal de mort cellulaire de manière « tout ou rien ». La nature strictement coopérative du repliement amyloïde, la robustesse de leurs propriétés de propagation ainsi que leur extrême compacité font que les motifs amyloïdes sont très bien adaptés à de telles tâches de transduction de signal. Ces motifs amyloïdes sont petits et généralement plus courts que les segments qui permettent la formation de domaines globulaires repliés. Le fait que plusieurs motifs différents aient été identifiés chez les champignons suggère que ce mécanisme a connu un succès évolutif dans cette branche. Apparemment, ce mode de transduction du signal a été diversifié en différentes classes permettant la création de modules de modélisation polyvalents qui peuvent coexister dans la même cellule de la même manière que la diversification du domaine CARD permet à plusieurs cascades de signalisation parallèles d'utiliser l'auto-assemblage de variantes de ce domaine. Il est à noter que pour chaque combinaison de domaine effecteur et de type de NLR qui a été caractérisée à ce jour chez les champignons, la même association de domaine peut également être trouvée dans un seul NLR. Par

Figure 46. Avantages potentiels de la signalisation amyloïde.

Les différents modes d'activation du domaine effecteur dans les NLR fongiques. Les cases répétées représentent les domaines de répétition formant la superstructure (soit ANK, TPR ou WD), l'ovale central, le NBD (soit NB-ARC ou NACHT), le cercle les domaines effecteurs (HeLo, HeLo-like, sesA, sesB, PNP-UDP phosphorylase, etc.). (d’après (Loquet and Saupe, 2017))

exemple, alors que chez P. anserina, l'organisation HeLo/NACHT-WD se trouve dans la paire HET-S/NWD2, de nombreuses autres espèces affichent des NLRs avec une architecture HeLo-NACHT-WD tout-en-un. L'inverse n'est pas vrai pour l'instant car certaines associations de domaines (comme Patatine-NB-ARC-TPR) n'ont pas encore été trouvées dans l'architecture à deux gènes. Quel pourrait alors être l'avantage potentiel de l'architecture à deux gènes par rapport à la structure tout-en-un plus simple? Une possibilité évidente est que la signalisation à médiation amyloïde permet une amplification du signal. Un autre avantage possible est que ce mode d'activation permet à un seul NLR d'activer deux domaines effecteurs distincts (comme cela se produit par exemple avec le motif PP dans HELLP et SBP, voir partie 4) (Daskalov et al., 2016) ou à un seul effecteur d'être activé par différents NLRs (Loquet and Saupe, 2017) (Figure 46).